geofisica

Scienza, detta anche fisica terrestre, che studia i vari fenomeni fisici (termodinamici, ottici, elettrici ecc.) che hanno luogo nell’atmosfera, sulla superficie e nell’interno della Terra. Si divide tradizionalmente in tre branche fondamentali, corrispondenti ai tre stati di aggregazione (solido, liquido, gassoso) della materia che costituisce la Terra: fisica della Terra solida, fisica delle acque superficiali e profonde, fisica dell’atmosfera. Tuttavia, è convinzione consolidata che, al di là della ripartizione convenzionale in discipline separate, l’oggetto di studio, la Terra, debba essere visto come unico e indivisibile. Per es., fenomeni come i grandi terremoti, i movimenti periodici delle masse d’aria atmosferiche e lo scioglimento delle calotte glaciali, producendo uno spostamento di massa, hanno effetto sull’asse di rotazione della Terra e sulla lunghezza del giorno; le grandi eruzioni vulcaniche, immettendo ingenti quantità di aerosol nella stratosfera, producono una diminuzione della temperatura media alla superficie terrestre, con effetti sensibili sul clima globale. Si è ancora alla ricerca della spiegazione dei meccanismi che determinano il funzionamento del sistema Terra nel suo insieme e, in particolare, dell’evidente dinamicità della sua evoluzione, di cui sono un chiaro esempio l’attuale disposizione di continenti e oceani e la distribuzione dei terremoti e dei vulcani.

Continenti e oceani

La geografia terrestre fornisce solo un’immagine attuale, statica, di un processo dinamico nel quale i continenti vanno alla deriva sulla superficie terrestre, ‘galleggiando’ su uno strato più soffice dal punto di vista reologico, trasportati da un processo associato a una continua generazione e consunzione della crosta oceanica. L’indagine geofisica contribuisce a chiarire e approfondire lo schema interpretativo della tettonica a placche. Le indagini sismologiche permettono, con la localizzazione epicentrale dei terremoti, la definizione dei margini delle placche nonché la determinazione dello spessore crostale. Le indagini gravimetriche confermano questi risultati, inquadrandoli in un generale equilibrio isostatico in aree tutte geologicamente stabili. Lo studio del campo magnetico terrestre e delle proprietà magnetiche delle rocce ha permesso di identificare le periodiche alternanze di polarità del campo stesso, di cui rimane traccia nella magnetizzazione residua relativa alla genesi e al posizionamento di molte formazioni rocciose. Dallo studio delle anomalie magnetiche oceaniche, in particolare, è possibile ottenere una dettagliata ricostruzione dei processi di apertura dei fondi oceanici e quindi della cinematica delle placche tettoniche.

La struttura interna della Terra

La conoscenza della struttura interna della Terra è sicuramente uno degli obiettivi più importanti della geofisica. Dallo studio delle onde sismiche prodotte dai terremoti e utilizzate come mezzo diagnostico, è stato possibile affinare il modello radiale (che prevedeva variazioni della velocità solo con la profondità) della propagazione delle onde sismiche. Indipendentemente dalla sismologia, altre discipline geofisiche hanno posto vincoli all’individuazione delle suddivisioni interne della Terra (crosta, mantello, nucleo ecc.). Il nucleo, suddiviso in una parte esterna fluida e una interna solida, è la sorgente del campo magnetico terrestre la cui esistenza è spiegata da processi magnetofluidodinamici (➔ magnetismo). Il nucleo interno rimane certamente la parte meno conosciuta della Terra; alcune analisi delle onde sismiche che lo attraversano indurrebbero a ipotizzare una struttura più complessa di quanto ritenuto finora, con una possibile anisotropia interna e, secondo alcuni, una superrotazione.

La dinamica dei fluidi e il sistema Terra

I processi che regolano la dinamica dei fluidi costituenti il sistema Terra, e quindi dell’oceano e dell’atmosfera, sono temi molto sviluppati delle ricerche in g. e hanno acquisito una grande rilevanza politica e sociale. Basti pensare ai cambiamenti climatici e alle loro possibili conseguenze su salute, agricoltura, infrastrutture ed economia. In questo ambito, l’aumento dell’effetto serra nella troposfera, attribuibile principalmente alla combustione delle risorse fossili naturali a partire dall’epoca dello sviluppo industriale, e la distruzione dell’ozono stratosferico, evidenziata nel corso di ogni primavera australe dal cosiddetto ‘buco dell’ozono’ in Antartide, sono i temi di maggior impatto. Anche nel complesso meccanismo della circolazione atmosferica e delle acque oceaniche emergono temi di grande interesse, come, per es., l’allarme destato dalla consapevolezza dell’estensione su scala planetaria degli effetti associati al fenomeno di El Niño: l’innalzamento della temperatura superficiale dell’oceano che ha luogo generalmente nel mese di dicembre lungo la costa occidentale del Perù ed è causa di piogge torrenziali in regioni normalmente aride, con gravi conseguenze sulla vita umana e danni particolarmente ingenti all’ambiente e al territorio. Nonostante gli enormi progressi fatti nello studio di questi fenomeni, rimangono comunque ancora molte incertezze e molti problemi da risolvere.

Interazioni fra Terra e Sole

La Terra è naturalmente anche un sistema aperto verso l’Universo e quindi è soggetta alle azioni degli altri corpi celesti; tra le interazioni non gravitazionali sono particolarmente significative quelle con il Sole. L’analisi dei dati disponibili delle osservazioni solari, spaziali e terrestri, principalmente di tipo elettromagnetico, costituisce il quadro fenomenologico di studio di queste interazioni. Tale studio rientra nell’ambito di una disciplina chiamata, in analogia al caso meteorologico, climatologia (o meteorologia) spaziale, in quanto tende principalmente a fornire informazioni sull’evoluzione dinamica dei fenomeni in oggetto. Questo tema è di grande interesse anche per gli effetti che tali fenomeni hanno sulla vita dell’uomo e sulla società. Le perturbazioni solari, con le loro conseguenze sulla magnetosfera, influenzano infatti i sistemi di telecomunicazione via cavo o via etere e anche i satelliti artificiali.

La Terra come sistema complesso

Lo sviluppo delle tecnologie e il loro inserimento nell’ambiente in cui viviamo richiederanno in futuro una maggiore integrazione del complesso sistema di conoscenze nel quale la g. svolge un ruolo essenziale. Come risulta evidente dalla variabilità delle osservabili necessarie a definire i fenomeni terrestri, la Terra è un chiaro esempio di sistema complesso. In g., in molti casi, le leggi fondamentali della fisica risultano di complicata o impossibile applicazione a causa della difficoltà a definire univocamente tutti i fattori che possono influenzare i fenomeni che si vogliono studiare. È naturale quindi che, proprio in questo campo, la scienza della complessità stia iniziando a giocare un ruolo di fondamentale importanza, anche nella descrizione di eventi catastrofici.

La legge di Gutenberg-Richter, secondo cui il logaritmo del numero totale di eventi è proporzionale alla magnitudo degli stessi, rappresenta una legge di scala in accordo con modelli a geometria frattale della sorgente sismica. Questa legge si inserisce chiaramente nella spiegazione necessaria alla comprensione dei fenomeni che caratterizzano i sistemi lontani dall’equilibrio. Nei sistemi all’equilibrio, a una piccola sollecitazione corrisponde una risposta a essa proporzionale o, più sinteticamente, il sistema risponde in maniera lineare. Quando invece il sistema è portato molto lontano dall’equilibrio da una grande sollecitazione, come accade in un terremoto, la risposta non dipende più linearmente dalla sollecitazione ed è di fatto impossibile fare previsioni attendibili sul comportamento del sistema. Ciò appare in maniera evidente quando vengono approntate previsioni sullo sviluppo della dinamica di un dato fenomeno geofisico; ne è uno degli esempi più evidenti, forse, la difficoltà di prevedere quantitativamente l’entità del riscaldamento globale della Terra, problema sul quale si sta concentrando lo sviluppo dei più complessi programmi di ricerca nella g. dei fluidi.